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Lo scopo di questa procedura è la realizzazione di reeds di silicio, ossia lamelle di dimensione 26 x 4 mm e spessore 50-70 µm, che vengono usati come oscillatori meccanici. Per il montaggio e la manipolazione, i reeds devono avere una porzione di circa 10 mm della loro lunghezza avente lo spessore nominale del wafer, ossia 275 µm. Per questa fabbricazione sarà  utilizzata la tecnica di etching anisotropo del Si per mezzo di una soluzione di KOH al 30% wt/wt a 80 °C.

Dimensioni dei reeds

breve descrizione della procedura
Il materiale di partenza è un wafer di Si(100) intrinseco, fornito dalla Siltronix, diametro 2", spessore nominale 275 µm. I wafer sono lappati ed ossidati su ambo i lati con ossido termico per uno spessore di 1.5 µm. Il wafer viene tagliato con lo scriber in rettangoli aventi le dimensioni laterali nominali dei reeds: 26 x 4 mm. Si mascherano ambo i lati dei reeds per proteggere 10 mm di lunghezza, utilizzando il nastro blu (blue dicing tape, medium tack). Si dissolve l'ossido termico sulle zone scoperte utilizzando una soluzione BOE (40207 della Sigma Aldrich). Si elimina la mascheratura e si procede con il deep etching in KOH 30% wt/wt a 80 °C. Si controlla l'andamento del processo di etching misurando periodicamente lo spessore residuo per mezzo del tastatore elettronico del CIGS. Si interrompe il processo di etching al raggiungimento dello spessore desiderato.

descrizione dettagliata

1 - Si determina preliminarmente la velocità  di erosione della soluzione BOE sull'ossido termico, che sarà  utilizzata alla temperatura ambiente di 22 ± 1 °C. Ciò permetterà  di erodere gli 1.5 µm di ossido termico senza eccessivo overetch che potrebbe danneggiare la superficie del Si sottostante. L'esperimento consiste del misurare lo spessore di ossido termico residuo prima e dopo un bagno in BOE della durata di 3 min. Il materiale di partenza è un frammento dello stesso wafer che sarà  utilizzato per fabbricare il reeds. Lo spessore di ossido sarà  determinato attraverso la misura della riflettività  a incidenza quasi normale nel campo di lunghezze d'onda 400 ÷ 1100 nm e confronto con i risultati di una simulazione che tiene conto dell'interferenza dei film sottili (software TFCalc). Il campione, lavato in acetone subito dopo il taglio del wafer nuovo, viene fissato ad un supporto in polistirolo (navicella per pesata modificata) e successivamente lavato in acqua UPW.
Campione e supporto vengono immersi per il tempo desiderato (3 min) nella soluzione BOE contenuta in un becker in PTFE ed agitazione magnetica a 150 rpm.
La riflettività del materiale misurata prima e dopo l'etching è mostrata nella seguente figura. Le simulazioni mostrano che in 3 minuti di etching a temperatura ambiente (22 ± 1 °C) lo spessore di ossido termico passa da 1546 ± 2 nm a 1240 ± 2 nm quindi in queste condizioni la velocità di erosione è di 102 ± 1 nm/min. Per la simulazione sono stati usati i files SIO2.MAT e SIPOLY.MAT del database Sopra SA. Per eliminare completamente l'ossido (spessore nominale 1500 nm ± 10%), tenendo conto di un margine di overetch del 20% si ottiene un tempo di etching di 20 min.

Riflettanza misurata (linee continue) e calcolata (linee tratteggiate) di uno strato di ossido termico su silicio. Per la simulazione sono stati usati i files SIO2.MAT e SIPOLY.MAT del database Sopra SA.

2 - Si mascherano i reeds per definire geometricamente la parte per il montaggio e la manipolazione. Per il mascheramento si utilizza lo standard dicing tape, blue, medium tack, seguendo le operazioni illustrate qui sotto.

Procedura di mascheramento dei reeds utilizzando un disegno su carta come riferimento. a) mascheramento della faccia posteriore: si appoggia il reed su un pezzo di nastro blu precedentemente posizionato sul disegno; b) mascheramento della faccia anteriore: si applica il nastro blu alla faccia anteriore; c) reed mascherato su entrambi i lati dopo la rimozione del nastro in eccesso.

3 - etching dell'ossido termico con soluzione BOE. Si immergono per 20 min i reeds mascherati in soluzione BOE a temperatura ambiente e agitazione magnetica, 150 rpm, becker in PTFE. Per la manipolazione dei reeds in soluzione si utilizza uno speciale supporto in polistirolo, come quello mostrato qui sotto.

Reeds montati su un supporto in polistirolo che ne consente la manipolazione in soluzione. Il supporto viene appeso ed immerso nel becker in PTFE contenente la soluzione BOE.

Completata la procedura di etching i reeds, ancora montati sul supporto, vengono lavati in acqua ultrapura. Successivamente si rimuove la maschera ed i campioni vengono nuovamente lavati in acetone e rimontati sul supporto per l'etching successivo.

4 - Deep etching del Si in soluzione KOH. In un becker di PTFE si prepara una soluzione di KOH 30% wt/wt sciogliendo 60 g di KOH in 140 g di H2O. Si annota anche il peso complessivo della soluzione+becker+stirrer che servirà  come valore di riferimento per le successive, periodiche aggiunte di acqua per compensare le perdite per evaporazione. Si immerge il becker in un bagnomaria a 80 °C, che si ottiene per un setpoint della temperatura della piastra di 240 °C. Il becker è tenuto sollevato dal fondo del bagnomaria da un supporto che consente la collocazione di uno stirrer per l'acqua. Un altro stirrer è collocato nel becker contenente la soluzione. Un'altra hotplate si servizio è utilizzata per mantenere a 80 °C un becker contenente 1000 ml di acqua ultrapura, utilizzata per compensare le perdite per evaporazione sia del bagnomaria che della soluzione KOH. La frequenza delle operazioni di manutenzione della soluzione è di circa 45 - 60 minuti. Un'immagine del setup utilizzato è mostrata qui sotto.

setup per il deep etching del Si

La velocità  di erosione è di circa 50 µm/h su ogni lato (la diminuzione di spessore complessivo del reed è quindi di circa 100 µm/h). Si esegue una sessione di etching della durata di un'ora, poi si procede a misurare la profondità  di etching con il profilometro e/o con il tastatore del CIGS.

Tastatore elettronico del CIGS

Si esegue la manutenzione della soluzione, aggiungendo la quantità  di H2O che ne ripristini il peso iniziale. Si esegue una seconda sessione di etching della durata di 45 minuti e si misura la differenza di spessore del reed rispetto al valore di target (50 ÷ 70 µm). Si esegue la manutenzione della soluzione e di esegue l'ultimo etching per una durata calcolata sulla base della differenza di spessore residua e sulla velocità  di erosione calcolata sulle precedenti sessioni.

Reeds fabbricati e confezionati pronti per la spedizione

I reeds così fabbricati sono pronti per l'uso, il confezionamento o lo stoccaggio.

Dopo aver testato il funzionamento del Cu come layer a perdere, riprendiamo la realizzazione della superlente.

Realizzazione di 4 campioni di Cu/Cr/MgO(001)  (01/03/10)
Crescita di multilayer Cu(50 nm)/Cr(35 nm)/MgO(001). Cu e Cr sono stati depositati via sputtering utilizzando le recenti calibrazioni. Sono stati preparati 4 campioni su 4 lastrine di MgO contemporaneamente. Le lastrine sono poi state divise in 4 parti ciascuna, ottenendo un numero maggiore di campioni.

Lavorazione multilayer 1
(FIB:03/03/10; MgO dep:15/03/10; etching e AFM:17/03/10)

È stato realizzato il pattern FIB sul campione 1 della serie preparata il 01/03/10. Quindi è stato depositato il film di MgO via MBE reattivo dopo sputtering del substrato per riempire il pattern. Per un errore nel calcolo del tempo di deposizione, lo spessore del film è di 50 nm invece che di 35 nm.  Il multistrato è stato quindi immerso in persolfato d'ammonio 20% wt/wt per i tempi indicati in figura.

Etching di Cu in multilayer MgO/Cu/Cr/MgO dopo lavorazione FIB

Sono stati necessari 24" per rimuovere tutto il Cu dalla superficie del multilayer. Dopo 16" di etching sono state fatte immagini SEM e AFM dei pattern, che mostrano come ci siano ancora parti di film non rimosso nel pattern più piccolo (largh. 90 nm). I profili delle immagini AFM confermano lo spessore di MgO depositato (circa 10-15 nm in più del necessario per riempire i pattern) e la non totale rimozione del Cu. L'AFM indica che la rimozione del materiale all'interno del pattern da 90 nm è aumentata e il pattern risulta più pulito. Ci sono ancora resti però di materiale (Cu o sporco?).

Lavorazione multilayer 2
(FIB: 24/03/10; MgO dep:25/03/10; etching:13/04/10)

Patternato al FIB il campione 2 della serie preparata il 01/03/10 e cresciuto MgO(35 nm) come da condizioni 12/10/2009 (vedi sotto). Etching in persolfato di ammonio 20% wt/wt per 24" + 8" per rimuovere tutto il Cu visibile all'ottico intorno al pattern. L'AFM indica che l'etching ha funzionato, anche se c'è ancora materiale (in forma di cluster) non rimosso nei pattern. Il rimepimento degli scavi risulta di nuovo troppo elevato (gli scavi sono circa 5-7 nm più alti delle parti non scavate).

Lavorazione multilayer 3
(FIB: 24/03/10; MgO dep:03/05/10; etching:03/06/10)

Patternato al FIB il campione 3 della serie preparata il 01/03/10 e cresciuto MgO(35 nm) come da condizioni 12/10/2009 (vedi sotto) per 50' 51", in considerazione del troppo alto spessore di MgO del campione precedente (camp 2).
Etching in persolfato di ammonio 20% wt/wt per 8" con soluzione a 37 °C (set temperatura vasca a 45 °C) in ultrasuoni. In un primo momento il campione è stato introdotto sul fondo di una retina di acciaio. Siccome però il campione rimane a galla, è stata tolta la retina e il campione è stato immerso sostenuto da pinzette come in passato. All'ottico il campione è pulito. Al SEM il campione non mostra tracce residue del film di MgO/Cu, ma risulta corroso anche il MgO depositato all'interno deglli scavi, mentre nei casi precedenti di attacco non se ne osservava la rimozione. Un ulteriore attacco di 8" (stavolta col campione   sostenuto solo da pinzette) hanno rimosso completamente l'MgO all'interno degli scavi.

Etching in persolfato di ammonio a 37 °C

Prove di etching in persolfato di ammonio a 37 °C
La soluzione di (NH4)2S2O8 20% w/w ha pH 2.44 a 18 °C appena preparata. Scaldando la soluzione a 40 °C, il pH scende a 2.38. Etching di un campione Cu(35 nm)/Cr(35 nm)/MgO(001): in 4 s viene rimosso tutto il Cu (check all'ottico). Dopo 3 h il pH della soluzione mantenuta a caldo è sceso a 1.78. Etching di lastrina di MgO(001): Deposizione di una goccia di photoresist S1813; etching in (NH4)2S2O8 20% wt/wt per 10 min.; rimozione photoresist con remover 1165; misura con profilometro attraverso il bordo della goccia. L'erosione del MgO risulta essere di 1.2 um in 10 min (2 nm/s).

Lavorazione multilayer 5
(FIB: 06/06/10; MgO dep:10/06/10; etching:10/06/10)

Patternato al FIB il campione 5 della serie preparata il 01/03/10 e cresciuto MgO(35 nm) come da condizioni 12/10/2009 (vedi sotto) per 51', in considerazione del troppo alto spessore di MgO del campione precedente (camp 2).

TEST ETCHING al SEM:
Per attacco chimico: T(ambiente)= 22 °C , T(acqua)=23 °C (misura con termometro grande macchiato)
T(soluzione)=15 °C appena preparata ((NH4)2S2O8 20% w/w), lascio termalizzare a temperatura ambiente.
Dopo 1h la soluzione è a 24 °C. Attacco 8" e controllo all'ottico. E' rimasto Cu intorno alle zone scavate al FIB.
Attacco ancora 8" e ricontrollo all'ottico. Il Cu è stato rimosso cosi come parte del film di Cr. Al centro è rimasta solo la zona patternata. Al SEM il pattern mostra ancora resti di film tra gli scavi (servirebbe tempo di attacco più lungo). Data la bassa adesione del Cr, decidiamo di non attaccare ulteriormente, ma di guardare con l'AFM il riempimento dei pattern.
La ragione del distaccamento del film di Cr potrebbe essere l'invecchiamento del campione.

Campioni 4 e 6 patternati, sul fondo del fast entry. Campione 4 ha problemi al SEM.

Problemi e possibili soluzioni:

  1. Ripetere l'etching a temperatura ambiente, monitorando la temperatura della soluzione e usando campioni possibilmente recenti.
  2. Controllare il riempimento degli scavi con una cross section FIB-SEM (oltre che con l'AFM).
  3. Studiare la possibilità  di crescere tutti i film (Cr, MgO) dopo aver scaldato i substrati per migliorare l'adesione e la morfologia.
  4. Deposizione della lente di Ag: morfologia e rugosità  del film ottenuto sul multilayer.
  5. Ottenere un photoresist di spessore 100 nm. Da comprare il solvente per diluire photoresist.
  6. Lampada per impressionamento del photoresist: filtri, altro? per ottenere luce monocromatica o variabile.

Dopo una serie di inaspettati insuccessi nel lift-off del layer di Cu che hanno portato al completo distacco degli strati depositati, cromo compreso, si è giunti alla conclusione che la soluzione di persolfato d'ammonio mostra effetti di invecchiamento sul periodo di diversi giorni. Inizialmente si pensava ad una cattiva adesione degli strati dovuta a una non corretta preparazione del substrato di MgO, ma successivamente si è individuata la causa nell'invecchiamento della soluzione di etching, preparata ed utilizzata con successo fino al 12 febbraio.
L'evidenza sperimentale si è avuta il 20 febbraio, sottoponendo a etching due campioni ottenuti per suddivisione dal medesimo substrato. Un campione è stato immerso per 8 secondi nella soluzione preparata l'8 febbraio, l'altro in una soluzione analoga, ma preparata al momento. Il primo ha mostrato rimozione completa degli strati, il secondo del solo film di rame (come già  osservato nell'esperimento dell'11 febbraio).
La soluzione rimane selettiva (attacca cioè il rame, ma non il cromo) per almeno 4 giorni. Gli esperimenti effettuati dal 12º giorno in poi hanno evidenziato la non selettività  della soluzione. È stato misurato il pH della soluzione fresca (pH = 2.53) e quello della soluzione invecchiata 24 giorni (pH = 1.22). Quest'ultima è risultata in effetti notevolmente più aggressiva.

È stato preparato un multistrato di MgO(35 nm)/Cu(50 nm)/Cr(35 nm)/MgO(001). L'MgO è stato depositato sul Cu via MBE reattivo dopo sputtering del substrato. Cu e Cr sono stati depositati via sputtering utilizzando le recenti calibrazioni. Il multistrato è stato immerso in persolfato d'ammonio 20% wt/wt per circa 3 s, quando si è riscontrata visivamente la completa rimozione dello strato di Cu. Le analisi AES e XPS rivelano ancora presenza di tracce di Cu sul campione.

Dopo una ulteriore immersione in persolfato d'ammonio per 5 s, le analisi AES e XPS rivelano la totale rimozione del film di Cu. Si osserva invece la presenza di MgO, nonostante lo spesso film di Cr. L'osservazione al SEM della superficie di Cr hanno evidenziato che il film è continuo, a meno di qualche microscopico graffio nel film nella zona centrale del campione, probabilmente responsabile del piccolo segnale di MgO.

preliminare
Calibrazione sorgente Pt mediante la deposizione di 40 Å nominali di Pt su vetrino con segni di pennarello per lift-off. Condizioni di deposizione: Process #16; Film #7; DC; 434 V; 0.10 A; power 4.5%; rate 0.35 Å/s; 15 mTorr; Ar; RT; sorgente piccola; flux #250; 12 rpm. Lo spessore effettivo del film misurato al profilometro risulta essere di 216 Å ± 5 Å.
primo tentativo
Etching del film in soluzione KOH 30% wt/wt. Completo distacco del film di Pt dopo pochi secondi di etching, probabilmente dovuto alla mancanza dello strato di Cr per la promozione dell'adesione.
secondo tentativo
Deposizione di 50 Å di Cr (55 Å nom.) + 250 Å (46 Å nom.) di Pt su MgO con segni di pennarello per lift-off. Lift-off in acetone ed ultrasuoni. Durante il risciacquo in H2O, il film si è parzialmente distaccato, mostrando ancora gravi problemi di adesione.

La velocità  di erosione di MgO(001) in una soluzione al 20% (wt/wt) di persolfato d'ammonio (NH4)2S2O8 risulta essere di 40 ± 5 Å/min. Quella del Cr è risultata nulla. La procedura utilizzata è stata questa:

  1. Calibrazione sorgente di sputtering Cu mediante deposizione di 1000 Å nominali di Cu su vetrino con segni di pennarello. Condizioni di crescita: film #24; process #22; power = 31.2%; DC 383 V; 0.62 A; rate 5.0 Å/s; 5 mTorr Ar; RT; sorgente SX; flux #250; 12 rpm. Dopo lift-off lo spessore effettivo risulta essere 1830 ± 10 Å.
  2. Deposizione di piccole gocce di photoresist S1813 su lastrina MgO(001); soft bake 1 h @ 120 °C in forno a convezione; etching in (NH4)2S2O8 20% wt/wt per 10 min.; rimozione photoresist con remover 1165; misura con profilometro attraverso il bordo della goccia che risulta ben visibile dopo l'etching. La velocità  di erosione dell'MgO risulta essere di 40 ± 5 Å/min.
  3. Calibrazione sorgente di sputtering Cr mediante deposizione di 1000 Å nominali di Cr su vetrino con segni di pennarello. Condizioni di crescita: film #23; process #14; power = 35%; DC 342 V; 0.71 A; rate 4.8 Å/s; 5 mTorr Ar; RT; sorgente DX; flux #250; 12 rpm. Dopo lift-off lo spessore effettivo risulta essere 910 ± 40 Å.
  4. Deposizione di piccole gocce di photoresist S1813 su vetrino ricoperto di Cr; soft bake 1 h @ 120 °C in forno a convezione; etching in (NH4)2S2O8 20% wt/wt per 10 min.; rimozione photoresist con remover 1165; bordo goccia invisibile a occhio nudo ed al microscopio ottico; misura con profilometro attraverso il bordo della goccia non evidenzia segni di erosione entro la sensibilità  dello strumento.
La zona di sinistra è stata esposta alla soluzione di etching, quella di destra è stata protetta con photoresist.

  • completare banco per hotplate e spinner
  • affiggere segnale per lavaocchi
  • collegare strumentazione agli impianti
    • hotplate (vuoto, aria, azoto, scarico)
    • spinner (vuoto, scarico)
    • forno (vuoto, aria, azoto, scarico)
  • rubinetto acqua in cappa chimica
  • trasloco armadio A
  • trasloco armadio B
  • trasloco frigorifero
  • trasloco microscopio
  • collegamento compressore di emergenza

  • chiave 28 mm per bombolaio
  • cestino per bombolaio
  • orologio
  • computer per gestione microscopio
  • ventilatori per filtri HEPA cappa
  • ventilatori per filtri HEPA banco
  • pipettatrici a cremagliera da 10, 20 e 50 ml
  • attaccapanni
  • portarotolo
  • materiale per sostegni ad aggraffi

Deposizione provini Cr/SiO2 (06/04/2009)
Per calibrare la lettura della bilancia (determinazione del tooling factor), sono stati depositati due provini, entrambi di spessore nominale 440 Å. Lo spessore effettivo viene poi misurato con il profilometro, usando la tecnica del lift-off a pennarello o l'ombra di un foglio di alluminio, rispettivamente per il campione cresciuto a RT e per quello cresciuto a caldo. Qui di seguito le condizioni di deposizione.

crescita a RT: 440 Å nom; DC; sorgente SX; 5 mTorr Ar; P = 53%; 311 V; 1.08 A; 7.8 Å/s; film #3; process #3; flux #250; 30 rpm; misura profilometro: 320 ± 5 Å (tooling factor 73%).

crescita a 500 °C nom; 440 Å nom.; DC; sorgente SX; 5 mTorr; P = 53%; 351 V; 1.08 A; 7.9 Å/s; film #3; process #3; flux #250; 30 rpm; misura profilometro 280 ± 20 Å/s (tooling factor 64%).

Deposizione Cr/MgO (12/06/2009)
montaggio n. 4 campioni sotto cappa antipolvere con mollette e viti in zona centrale del piattello portacampioni; trasporto presso macchina di deposizione in capsula Petri.

deposizione di 350 Å di Cr @ RT: P base = 1.8e-6 torr; P Ar = 5 mTorr; flux #250; film #3; process #3; Power = 53%; nom. thickness = 477 Å (477 Å × 0.73 = 350 Å);

Deposizione PMMA (20/06/2009)
photoresist AR-P 679.01 (Allresist GmbH) PMMA 1% in ethyl lactate; substrati: Cr/MgO del 12/06/2009; spin @ 2000 rpm (manopola @ 2200 rpm) fino a stabilizzazione frange; pre-spin @ 1500 rpm per 5 sec; baking @ 165 °C per 2 min su hotplate. Una misura FIB in cross section dice che lo spessore complessivo Cr + PMMA è di 68 nm.

Pre-trattamento MgO per deposizione MgO (30/09/09)
Si è constatato che non è possibile depositare MgO mediante MBE reattivo se il substrato non viene opportunamente pre-trattato. Sono state provate diverse procedure. La più efficace sembra essere: sputtering Ar+ 15 min. 600 eV 10 mA.

Angoli per avere incidenza di sputtering normale
Data la direzionalità  del trattamento pre-deposizione, si pone il problema di eseguirlo ad incidenza normale. Qui di seguito la procedura.

1) Montare il campione su un cuneo a 45°, come indicato nella figura qui sotto;
2) partire dal portacampioni Omicron "a faccia in su" e phi 0°;
3) ruotare phi in senso antiorario (visto dall'alto) di 44°;
4) ruotare theta verso il CMA di 52°.

Montaggio del campione per avere angolo di incidenza normale, sia per la deposizione che per lo sputtering.

Deposizione MgO su provino (30/09/09)
Pre-trattamento del substrato di MgO per sputtering Ar+ 15 min. 600 eV 10 mA; deposizione Mg @ 345 °C @ RT P O2 = 5e-7 torr. La rate misurata dalla bilancia è di 4.32 Å/min di Mg; tempo di deposizione 260 min; misura spessore effettivo con profilometro 1320 ± 60 Å di MgO, corrispondenti ad una rate di 5.1 ± 0.2 Å/min di MgO. Angolo di incidenza Mg: 45°.

Deposizione MgO su provino ad incidenza normale (02/10/09)
pre-trattamento del substrato di MgO per sputtering Ar+ 15 min. 600 eV 10 mA a incidenza normale (vedi punto precedente). Deposizione Mg @ 345 °C @ RT P O2 = 5e-7 torr a incidenza normale (campione su cuneo 45°); rate misurata dalla bilancia è di 4.32 Å/min di Mg; tempo di deposizione 260 min; misura spessore con profilometro: 1550 ± 30 Å di MgO, corrispondenti ad una rate di 5.9 ± 0.1 Å/min di MgO.

Deposizione MgO su PMMA/Cr/MgO (12/10/2009)
substrato a RT, preparato come riportato sopra; deposizione Mg @ 345 °C; P O2 = 5e-7 torr a incidenza normale (campione su cuneo 45°); rate bilancia 4.5 Å/min; tempo deposizione = 59 min 19 sec, corrispondente a 35 nm nominali di MgO.

Rimozione PMMA con remover a base di NMP (Shipley 1165) (15/10/2009)
Bagno e ultrasuoni a 80 °C per diversi tempi (vedi figura); risciacquo in DI; N2 blow; la procedura non riesce a rimuovere il PMMA in prossimità  delle zone lavorate al FIB.

Immagine al microscopio ottico del pattern dopo la rimozione del PMMA.

Il PMMA viene invece rimosso quasi dappertutto, escluse le zone lavorate al FIB e due zone ellittiche allungate, simili in dimensione ed orientazione (vedi figura).

Immagine al microscopio ottico del pattern dopo la rimozione del PMMA.

Protezione del PMMA con uno strato di Cr (27/10/2009)
Si lavora sull'ipotesi che la non completa rimozione del PMMA intorno alle zone irraggiate con il FIB sia dovuta ad un effetto di irraggiamento da parte delle "code" del fascio FIB. Si decide quindi di proteggere il PMMA con uno strato di Cr in grado di fermare una buona parte degli ioni Ga+. Una simulazione SRIM (vedi figura) mostra che qualche decina di nm di Cr sono sufficienti a bloccare gran parte degli ioni. L'utilizzo di Pt anzichè Cr consentirebbe di ridurre lo spessore dello strato di un fattore 4.5, a parità  di potere protettivo.

Transmittance for Ga ions in Cr and Pt.

Utilizzando le procedure descritte qui sopra, fabbrichiamo n. 2 campioni così costituiti:

  • campione A: 35 nm Cr (strato protettivo) / 35 nm PMMA / 35 nm Cr / MgO(001). La trasmittanza dello strato protettivo di Cr è 2e-4 per ioni Ga a 30 keV.
  • campione B: 15 nm Cr (strato protettivo) / 35 nm PMMA / 35 nm Cr / MgO(001). La trasmittanza dello strato protettivo di Cr è 0.28 per ioni Ga a 30 keV.

I due campioni sarano successivamente lavorati al FIB per ricavare le fenditure nei tre strati depositati.

Rimozione PMMA protetto con Cr (29/10/2009)

Remover a base di NMP (Shipley 1165) in bagno e ultrasuoni a 80 °C per i tempi indicati in figura; risciacquo in DI; N2 blow. I pattern FIB sono stati realizzati nelle stesse condizioni di quelli sui campioni precedenti. Qui però i tre pattern di sinistra sono stati ottenuti con una corrente ionica di 26 pA, i due della fila di destra con una corrente di 9 pA (questi ultimi come i precedenti campioni). La dose ionica per pattern rimane la stessa.

Campione A (35 nm di Cr protettivo).
Campione B (15 nm di Cr protettivo).

Di nuovo la procedura non riesce a rimuovere tutto il PMMA nelle zone intorno ai pattern FIB. L'aumento di spessore di Cr diminuisce la zona danneggiata ma non la elimina. La variazione di corrente (a parità  di dose ionica) non modifica l'estensione del danno.

Possibili alternative al PMMA (2/11/2009)
Un materiale alternativo al PMMA in questa applicazione deve avere le seguenti caratteristiche:

  • deve essere facilmente rimosso per wet-etching (per avere il lift-off dello strato di MgO) da un opportuno agente chimico;
  • l'agente chimico non deve attaccare nè il Cr, nè l'MgO.

Con riferimento a J. MEMS, 12(2003)761, due possibili alternative sono:

  • materiale: Al; etcher: diluted aqua regia (3HCl : 1 HNO3 : 2 H2O); etching rate 600 nm/min;
  • materiale: Al; etcher: diluted KOH (30%, 80 °C); etching rate 12.9 um/min;
  • materiale Cu; etcher: APS 100 from Transene (15-20% ammonium persulfate, i.e. (NH4)2S2O8 in H2O); etching rate 2500 nm/min.

Entrambe le soluzioni hanno etching rate molto elevata per il metallo target (bastano pochi secondi per rimuovere 35 nm di metallo), ma nulla per il Cr. Non si hanno informazioni sull'etching rate del MgO.

Piano per la verifica della etching rate su MgO (09/11/2009)
Scartiamo la soluzione a base di aqua regia, perchè sembra che sia attiva anche su MgO (vedi K. Sangwal el al. J. Mat. Sci. 13(1978)1977; Kristall und Technik 13(1978)1407; M.F. Suárez el al. J. Chem. Phys. B 102(1998)7156). Per la verifica della soluzione a base di KOH occorre preparare una hard mask. Si potrebbe procedere come segue.

  1. maschera a pennarello su substrato MgO
  2. deposizione di 5 nm di Cr su MgO (promozione dell'adesione)
  3. deposizione di 30 nm di Pt su MgO (hardmask per soluzioneKOH)
  4. lift-off del Pt e misura dello spessore del film
  5. etching in KOH 30% per qualche decina di minuti
  6. misura della profondità  dello scavo, AFM

Per la soluzione di ammonium persulfate, non c'è bisogno di hard mask. Si può mascherare il substrato di MgO con gocce di fotoresist, eseguire l'etching, rimuovere il fotoresist e misurare l'eventuale etching rate.

Questa procedura permette di determinare il profilo laterale di una linea a partire da un'immagine acquisita al microscopio ottico. La procedura verrà  illustrata utilizzando la seguente immagine, ottenuta su acciaio 20MnCr5 dopo un etching elettrochimico attraverso una maschera di fotoresist positivo, dopo la rimozione della maschera (ingrandimento 5X):

Immagine originale

(immagine a piena risoluzione).

Innanzitutto dobbiamo contrastare l'immagine il più possibile. Essendo un'immagine a colori RGB opereremo sui singoli canali. Apriamo l'immagine con Photoshop ed esaminiamo gli istogrammi dell'intensità  nei tre canali di colore attivando il pannello hystogram nella "palette" in alto a sinistra. Scegliamo la vista "All channel view" e dovremmo ottenere una finestra simile a questa:

Istogrammi di intensità nei tre canali RGB,

Il primo grafico in alto rappresenta l'istogramma dell'intensità  totale, quelli sotto sono gli istogrammi dei tre canali di colore separati. Osserviamo che gli istogrammi dei canali di colore hanno forme simili: essi sono sostanzialmente formati da due picchi, uno dei toni "neri" o ombre, l'altro dei toni "bianchi" o luci, situati in posizioni diverse per i tre canali. Per prima cosa occorre allineare i picchi delle luci e delle ombre per i tre canali: facciamo Image > Adjustments > Levels... Sul dialogo che compare sceglieremo Channel R per agire sul canale del rosso:

Dialogo livelli.

Spostiamo il cursore a forma di triangolo nero in corrispondenza del picco dei toni neri, quello a forma di triangolo bianco in corrispondenza del picco dei toni bianchi come mostrato qui sotto. In questo modo imponiamo che, per il canale del rosso, il livello zero ed il livello massimo corrispondano rispettivamente a quelli della maggior parte delle ombre e delle luci presenti nell'immagine.

Dialogo livelli dopo la correzione.

Ripetiamo la stessa procedura per i canali verde e blu ed otterremo la seguente immagine:

Immagine dopo la correzione dei livelli.

È opportuno ora correggere la rotazione dell'immagine per avere le righe il più possibile allineate con la direzione verticale. Scegliamo lo strumento Measure Tool dalla Toolbox sulla sinistra:

Strumento righello.

Tracciamo una linea lungo quella che dovrebbe diventare la direzione verticale. Per ridurre l'errore di valutazione soggettiva è opportuno tracciare la riga lungo tutta l'altezza dell'immagine. Tracciata la riga facciamo Image > Rotate Canvas > Arbitrary... Nella finestra di dialogo che appare lasciamo le impostazioni che ci propone e premiamo il tasto OK. L'immagine verrà  ruotata. Ora possiamo trasformare l'immagine a colori in una in toni di grigio, facendo Image > Mode > Grayscale. L'intensità  in ogni singolo pixel sarà  ora un numero compreso fra zero (nero) e 255 (bianco). Osserviamo ora un ingrandimento dell'immagine dopo la conversione in scala di grigi:

Particolare dell'immagine originale.

Applichiamo ora una soglia al 50% (cioè al livello 128) per mettere in evidenza il confine fra bianco e nero, facendo Image > Adjustments > Threshold e scrivendo 128 nella casella Threshold Level. Otteniamo la seguente immagine:

Dopo soglia 50%.

Il risultato non è molto soddisfacente perchè la presenza di graffi e difetti vari introduce "bordi" (cioè confini fra bianco e nero) anche dove essi non sono realmente presenti (es: righe nere oblique rispetto alle linee verticali e "macchie" bianche isolate entro le zone che dovrebbero essere nere). Un risultato migliore si ottiene applicando all'immagine originale un filtro "antigraffio", facendo Filter > Noise > Dust & Scratches... con parametri Radius = 2 e Threshold = 30 levels. Dopo il filtraggio, l'immagine appare così:

Particolare + filtro scratch & dust.

Se ora applichiamo la soglia al 50% si ottiene il seguente risultato:

Particolare + filtro + soglia.

Il risultato ora è accettabile. I rari difetti saranno corretti a mano successivamente. Le zone di bordo sono ora ben evidenziate come zone di confine fra bianco e nero. Ora applichiamo un filtro che evidenzia i bordi: facciamo Filter > Stylize > Find Edges. Si otterrà  la seguente immagine:

Dopo filtro find edges.

Gli ultimi difetti isolati dovranno essere eliminati manualmente con lo strumento "Pencil" dalla Toolbox con colore bianco o nero:

Strumento pencil.

Come ultima cosa, scegliamo una zona di interesse rettangolare, sufficientemente rappresentativa della tipologia delle righe che intendiamo analizzare. Utilizzeremo lo strumento Crop dalla Toolbox:

Strumento crop.

Trasciniamo un rettangolo attorno alla zona di interesse e facciamo doppio click all'interno per eseguire l'operazione:

Cropping di un'area significativa

Salviamo l'immagine ottenuta in formato TIFF facendo File > Save As... e scegliendo TIFF come formato e NONE come compressione. Passiamo ora ad analizzare l'immagine con Igor Pro.